JP5550534B2 - 超音波顕微鏡 - Google Patents
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Description
超音波顕微鏡では、光学顕微鏡や電子顕微鏡では得られない試料内部の情報が非破壊で得られることから、試料の弾性等の力学的性質の評価だけでなく、内部欠陥の検出等にも多く用いられている。
特許文献1の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサと、試料台と、走査手段とを備えている。トランスデューサは、音響レンズと圧電薄膜とから構成されている。音響レンズは、サファイアや石英ガラスなどの円柱状結晶からなっており、一方の端面は光学研磨された平面であり、他方の端面には、レンズ面を形成する微小な凹半球状のレンズ面が設けられている。試料台上に載置された試料と音響レンズとの間には、純水のような超音波の伝播媒体が充填される。
また、特許文献2に開示される超音波顕微鏡は、超音波発生部と超音波受波部とを兼ねる金属の膜部材と、超音波発生部に励起用パルス光を照射する励起用パルス光照射部と、超音波受波部に測定光を照射する測定光照射手段と、超音波受波部に照射された測定光の反射光を検出する測定光検出手段とを具備している。
例えば、観察対象の試料が、配線膜や絶縁膜が形成された半導体デバイス等であるような場合、超音波顕微鏡を用いてその試料における膜界面の接合評価(膜の剥離の有無等の評価)を行うためには、μmオーダーの空間分解能が要求される。
そこで、特許文献2に開示される超音波顕微鏡は、音響レンズ面の反対面に設けられた金属の膜部材にパルスレーザ光を照射することで、圧電薄膜を用いるよりも高い周波数の高周波超音波を発生させる。また、膜部材は、試料で反射した超音波を受波すると、その周波数に応じて光反射率を変化させる。
ところが、近年の要求は、より高い精度を求めるものであり、そのためには、超音波の減衰を極力少なくする必要と、レンズにおける音波の収差を極力少なくする必要がある。
すなわち、本発明の超音波顕微鏡は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波をレンズで収束させて試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記レンズにおいて試料に対面する側に形成されたレンズ面と、前記レンズ面に沿うように配備され、前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発すると共に、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、超音波送波部とは別位置に設けられ、前記試料で反射した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部と、を具備することを特徴とする。
また、前記レンズ面は、前記超音波送波部で発生した超音波を収束可能な焦点を備えた曲面となるように形成されていてもよい。
また、前記レンズと前記超音波受波部との間には、前記試料で反射した反射超音波を前記超音波受波部に収束させる反射波収束手段が設けられていてもよい。
からの超音波を伝播させる固体のカップリング手段が設けられていてもよい。
また、本発明に係る超音波顕微鏡の最も好ましい形態は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波をレンズで収束させて試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記レンズにおいて試料に対面する側であって、該レンズの下面側の中央に形成された1つのレンズ面と、前記レンズ面に沿うように配置され、前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発すると共に、当該超音波を試料に送出する、金属薄膜からなる超音波送波部と、前記超音波送波部を挟んで前記レンズ面とは反対側の前記レンズの上面側の表面の中央に配置され、前記試料で反射すると共にレンズ内を反レンズ面に向けて伝播した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部と、前記レンズと前記試料との間に配置され、前記超音波送波部と接して、該超音波送波部からの超音波を伝播させるカップリング媒体と、を具備するものである。
本発明の第1実施形態について、図を基に説明する。
まず、図1及び図2を参照しながら、本発明の第1実施形態による超音波顕微鏡1aについて説明する。図1は、本実施形態による超音波顕微鏡1aの構成を示す図である。図2は、超音波顕微鏡1aに用いられる音響レンズ2の構成を示す図であり、(a)は、超音波受波部3、音響レンズ2、超音波送波部4、カップリング媒体5、試料6の構成を側方から見たときの図、(b)は、超音波受波部3が配置された音響レンズ2の反レンズ面側を上方から見たときの図である。
音響レンズ2のレンズ面12には、パルス光を受けて超音波を発生させる金属薄膜が、超音波送波部4として形成されている。
また、図1に示すように、超音波顕微鏡1aは、超音波送波部4に加熱パルス光を照射するパルス光照射手段8と、超音波受波部3から出力される電圧の変化を検出する電圧変化検出手段である高速オシロスコープ9と、検出された電圧の変化を基に試料6内部の情報を得る内部情報取得手段である計算機10と、を具備する。
試料6が載置されるX−Yステージ7は、試料6を支持すると共に、音響レンズ2に対する試料6の位置を水平方向(超音波の照射方向に対して直交する方向の位置)に変化させて位置決めするためのものであり、直交するボールネジ機構等から構成される。X−Yステージ7は、コンピュータ等で構成されたステージ制御部11により、試料6の水平方向位置や送りピッチなどが制御される。
図2を参照して、音響レンズ2について詳細に説明する。
音響レンズ2は、光透過性を有する硬質な無機材料からなる円柱状部材であって、その内部は空間の無い中実な構造となっている。この円柱状部材の一つの面、すなわちX−Yステージ7と対向する下面側のほぼ中央に、音響レンズ2の内部に向かって湾曲した窪みが形成されており、その窪みの表面は、例えば曲率半径5mm程度の曲面からなる略球面状のレンズ面12となる。このレンズ面12は、当該下面での開口部がほぼ円形であり、レンズ面12は凹凸のない平滑な面となっている。レンズ面12が形成されないもう一方の面である上面(反レンズ面、すなわち反X−Yステージ7側)は、光学研磨された平面である。円柱状の音響レンズ2は上下方向に厚みを有するものとなっていて、レンズ面12と音響レンズ2の上面(反レンズ面)とが所定間隔を隔てて離れて配置されるような高さ(厚み)を有している。
まず、音響レンズ2のレンズ面12に形成される超音波送波部4について以下に説明する。
ところで、特許文献2の段落[0017]には、金属の膜部材を音響レンズ面に沿って形成することが開示されている。この場合、試料測定のための超音波発生部と超音波受波部がともに音響レンズ面に沿って配置されることになるが、本願発明の如く、超音波の減衰を極力少なくすると共に超音波の収差を極力少なくするためにレンズ面に沿って超音波送波部4を形成するといった技術思想を開示するものとはなっていない。加えて、特許文献2の段落[0017]では、超音波受波部も音響レンズ面に存在する構成となっており、この場合、反射超音波を受波した超音波受波部の変化を検出する測定光検出手段が、特許文献2に開示された構成では作動しにくい恐れがある。特許文献2では、超音波受波部の変化を検出するための具体的な構成や機構などは開示されていない。
以下に、試料6で反射した反射超音波を受波する超音波受波部3について以下に説明する。超音波受波部3は、例えばトランスデューサ等の圧電素子であって、受波した反射超音波から受ける応力に応じた電圧を超音波強度信号として発生させるものである。
音響レンズ2の上方側には、加熱パルス光を発生するパルス光照射手段8が設けられている。このパルス光照射手段8は、短パルス幅のパルスレーザ光を発する光源(YAGレーザ等)であるパルス光照射部13と、加熱パルス光を超音波送波部4に対して略垂直方向に照射するように導くミラー14と、加熱パルス光のビーム径を調整するレンズ系15とを備えている。これらパルス光照射部13、ミラー14、及びレンズ系15でパルス光照射手段8を構成している。
一方、図1に示すように、音響レンズ2の側方には、電圧変化検出手段が設けられている。この電圧変化検出手段は、高速オシロスコープ9であって、超音波受波部3に電気的に接続されている。
例えば、高速オシロスコープ9は、加熱パルス光が出力されたことを示すパルス光出力開始信号をパルス光照射部13から取得し、当該パルス光出力開始信号を取得した時点から順に、反射測定光の強度信号の強度のピークE1、E2、E3、・・・(エコー)が検出された時点までの時間を検出し、その時間の情報を後述する計算機10に出力する。ここで、最も早く検出されたピークE1は、音響レンズ2とカップリング媒体5との界面からの反射エコーを示し、ピークE2は、試料6の表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークは試料6内部からの反射エコーを示している。
内部情報取得手段である計算機10は、高速オシロスコープ9から得られるピークE1、E2、・・・の検出時間の情報から、2番目のピークE2の発生時間と3番目以降の前記ピークE3、E4・・・発生時間との時間差を算出し、試料6内での超音波の伝播速度から、試料6内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。このとき、加熱パルス光を複数回繰り返し照射することで試料6内の同一測定点の測定を繰り返し、同期加算平均化処理を行うことで測定精度(S/N比)を向上させる。
パルス光照射手段8のパルス光照射部13が一条の加熱パルス光を発すると、加熱パルス光は、音響レンズ2をまっすぐに透過する。透過した加熱パルス光を受けた超音波送波部4は、熱膨張して超音波を発生する。発生した超音波は、図2(a)のカップリング媒体5内でほぼ等間隔に曲線で示されるように、音響レンズ2のレンズ面12に対して平行波となってカップリング媒体5内を伝播し、レンズ面12の曲率中心(焦点)に向かって収束し、試料6の表面及び内部に入射する。
超音波受波部3に到達した超音波は超音波受波部3内に応力を発生させるので、超音波受波部3は、発生した応力に応じた強度信号を発生する。高速オシロスコープ9が、当該強度信号の時系列変化を検出し、計算機10が上述のように試料6の内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
以上のような動作を経て、試料6内部における3次元方向の状態の分布を観測することができる。
(第2実施形態)
図3を参照して、本発明の第2実施形態による超音波顕微鏡1bついて説明する。図3は、第1実施形態で説明した図2(a)の構成において、音響レンズ2と超音波受波部3との間に反射波収束手段16を設けた構成を側方から見たときの図である。
図3を参照して、本実施形態による超音波顕微鏡1bに用いられる音響レンズ2及び反射波収束手段16について、説明する。
反射波収束手段16は、試料6で反射した反射超音波を収束するための超音波収束手段であり、音響レンズ2とほぼ同一の直径を有する円柱状の外観を有している。反射波収束手段16は、石英ガラスで形成される第1収束部17(以下、石英部17という)と、サファイアで形成される第2収束部18(以下、サファイア部18という)とを一体に組み合わせて構成される。なお、石英ガラスを伝播する音波の速度(音速)は、約5900m/秒、サファイアを伝播する音波の速度(音速)は、約11000m/秒である。
石英部17は、サファイア部18とほぼ同一の直径を有する円柱状の部材であり、下面のほぼ中央には、サファイア部18の窪み19にほぼ対応する形状及び大きさの半球状の突起20が設けられている。上面は、光学研磨された平面である、石英部17の厚みは、該平面が、サファイア部18の窪み19の曲率中心を含む厚さとなっている。
この上で、超音波受波部3を、反射波収束手段16の石英部17の平面上で、音響レンズ2のレンズ面12の開口の中心に対応する位置、つまり、サファイア部18の窪み19の焦点位置に配置する。
加熱パルス光を受けた超音波送波部4は超音波を発生し、発生した超音波は、図3でほぼ等間隔に曲線で示されるように、カップリング媒体5中で、試料6の表面、すなわちレンズ面12の曲率中心(焦点)に向かって収束する。収束した超音波は、試料6で反射し、反射超音波として超音波送波部4を通過してレンズ面12に入射する。
(第3実施形態)
図4を参照して、本発明の第3実施形態による超音波顕微鏡1cについて説明する。図4は、第2実施形態で説明した図3の構成において、音響レンズ2と接触媒体23との間にカップリング手段21を設けた構成を側方から見たときの図である。
このような構成によれば、従来のように、音響レンズを伝播した超音波をレンズ面で屈折させて収束させる必要がなくなるため、音速の低い液体をカップリング媒体として用いる必要もなくなる。そこで、本実施形態では、高周波超音波(例えば数百MHz以上)の減衰が大きい液体のカップリング媒体の代わりに、減衰の小さい固体のカップリング手段21を用いる。
図4を参照して、本実施形態による超音波顕微鏡1cに用いられるカップリング手段21について説明する。
カップリング手段21は、音響レンズ2と同様に円柱状の部材であり、その上面には半球状の突起22を有している。この突起22は、音響レンズ2のレンズ面12に設けられた窪み(超音波送波部4の表面形状)に嵌り込むものとなっている。一方、カップリング手段21の下面、すなわち、突起22が形成された上面の反対面は平面となっており、この平面上に突起22の曲率中心が配置される。よって、カップリング手段21は、曲率中心のこのような配置を実現する厚みに形成されている。つまり、カップリング手段21は、反射波収束手段16の石英部17とほぼ同じ形状及び大きさを有している。
このように、第1実施形態及び第2実施形態におけるカップリング媒体5の位置にカップリング手段21を配置すると、カップリング手段21において、突起22が形成された面の反対面は試料6と対向する。この反対面と試料6との界面には、この反対面から試料6に超音波を伝播するためのごく少量の水などの接触媒質23を介在させる。よって、カップリング手段21の該反対面と試料6とは、直接に接しているといっても差し支えない状態となっている。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
音響レンズ2を、石英ガラス及びサファイアを用いて構成したが、光透過性を有すると共に、超音波をできるだけ減衰させずに伝播する材料であればよいので、例えば、サファイアの単結晶や、単結晶体でなくとも、石英ガラス以外の各種ガラスなどの硬質材料を用いてもよい。また、音響レンズ2の形状を円柱状であるとしたが、角柱形状でも角錐台形状でもよい。
また、圧電素子の代わりに、光弾性効果を発揮する金属薄膜等を設け、反射超音波によって起こる光弾性効果を、測定用のレーザ光を用いて検出してもよい。この場合、測定用のレーザ光を金属薄膜に照射するレーザ光源と、金属薄膜で反射した反射レーザ光を検出し、検出した反射レーザ光を強度信号として高速オシロスコープ9に出力する光検出器を設ける必要がある。
第1実施形態〜第3実施形態において、レンズ面12の形状を略球面であるとしたが、曲率中心(焦点)を1つだけ有する略楕円球面としてもよい。
2 音響レンズ
3 超音波受波部
4 超音波送波部
5 カップリング媒体
6 試料
7 X−Yステージ
8 パルス光照射手段8
9 高速オシロスコープ
10 計算機
11 ステージ制御部
12 レンズ面
13 パルス光照射部
14 ミラー
15 レンズ系
16 反射波収束手段
17 石英部
18 サファイア部
19 窪み
20 突起
21 カップリング手段
22 突起
23 接触媒質
Claims (3)
- パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波をレンズで収束させて試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、
パルス光を照射するパルス光照射手段と、
前記レンズにおいて試料に対面する側であって、該レンズの下面側の中央に形成された1つのレンズ面と、
前記レンズ面に沿うように配置され、前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発すると共に、当該超音波を試料に送出する、金属薄膜からなる超音波送波部と、
前記超音波送波部を挟んで前記レンズ面とは反対側の前記レンズの上面側の表面の中央に配置され、前記試料で反射すると共にレンズ内を反レンズ面に向けて伝播した超音波である反射超音波を受波する超音波受波部と、
前記レンズと前記試料との間に配置され、前記超音波送波部と接して、該超音波送波部からの超音波を伝播させるカップリング媒体と、
を具備することを特徴とする超音波顕微鏡。 - 前記レンズ面は、前記超音波送波部で発生した超音波を収束可能な焦点を備えた曲面となるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波顕微鏡。
- 前記レンズと前記超音波受波部との間には、前記試料で反射した反射超音波を前記超音波受波部に収束させる反射波収束手段が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の超音波顕微鏡。
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